数字水准仪原理

第一章数字水准仪的原理与特点

武汉大学李以赫

§概述

1963年Fennel厂研制出了编码经纬仪, 加上四十年代已经出现的电磁波测距技术、以后的光电技术、计算机技术和精密机械的发展,到八十年代已开始普遍使用电子测角和电子测距技术。然而，到八十年代末，水准测量还在使用传统仪器。这不仅由于水准仪和水准标尺在空间上是分离的，而且两者的距离可以从1米多变化到100米，因此在技术上引起实现数字化读数的困难。

为了现实水准仪读数的数字化，人们进行了近30年尝试。如蔡司厂的RENI 002A己使测微器读数能自动完成，但粗读数还需人工读出并按键输入，与精读数一起存入存储器，因此还算不上真正的数字水准仪。又如利用激光扫平仪和带探测器的水准标尺，可以使读数由标尺自动记录。由于这种仪器的试验结果还不能达到精密几何水准测量的要求，因此也没有解决水准测量读数自动化的难题。

直到1990年徕卡测量系统的前身---威特厂在世界上率先研制出数字水准仪NA2000，可以说，从1990年起，大地测量仪器全面己经完成了从精密光机仪器向光机电测一体化的高科技产品的过渡，攻克了大地测量仪器中水准仪数字化读数的这一最后难关。

到1994年蔡司厂研制出了数字水准仪DINI 10／20，同年拓普康厂也研制出了数字水准仪DL101／102。２００２年５月徕卡公司向中国市场投放了DNA 中文数字水准仪，该仪器具有外形美观，大屏幕中文显示，测量数据可存入内存和PC卡中，并具有适合中国测量规范丰富的机载软件，这意味着数字水准仪将真正为中国用户所接受。

数字水准仪具有测量速度快、读数客观、能减轻作业劳动强度、精度高、测量数据便于自动输入计算机和容易实现水准测量内外业一体化的特点，因此它投放市场后很快受到用户青睐。

国外的低精度高程测量盛行使用各种类型的激光定线仪和激光扫平仪，因

此目前数字水准仪主要定位在中精度和高精度水准测量范围，分为两个精度等级, 中等精度的标准差为：～Km,高精度的为：～／Km。

数字水准仪又称电子水准仪．它是在自动安平水准仪的基础上发展起来的。它采用条码标尺,各厂家标尺编码的条码图案不同, 不能互换使用。仪器完成照准和调焦之后, 标尺条码一方面被成象在望远镜分划板上, 供目视观测,另一方面通过望远镜的分光镜, 标尺条码又被成像在光电传感器(又称探测器)上, 即线阵CCＤ器件上，供电子读数，因此如果使用传统水准标尺, 数字水准仪又可以像普通自动安平水准仪一样使用，不过这时的测量精度低于电子测量的精度。特别是对于精密水准测量，由于数字水准仪没有光学测微器, 当成普通自动安平水准仪使用时, 其精度更低。

当前数字水准仪采用了原理上相差较大的三种自动电子读数方法：

1）相关法2）几何法3）相位法

§徕卡数字水准测量原理

在数字水准测量领域，徕卡是最早推出数字水准仪的，即1990年推出的NA2002，这是测量仪器发展的又一个里程碑。

相关法原理

徕卡公司的数字水准仪采用相关法。它的标尺一面是伪随机条形码供电子测量用，另一面为区格式分划供光学测量用。望远镜照准标尺并调焦后, 可以将条码清晰地成象在分划板上（图1－1）供目视观测，同时条码象也被分光镜成象在探测器上，供电子读数。

图1－２左边是与徕卡数字水准仪配套的水准标尺的伪随机条码，该条码图象已被存储在数字水准仪中作为参考信号。该条码右边是与它对应的区格式分划。在条码标尺上，最窄的条码宽为（黑的、黄的或白的），称为基本码宽。在标尺上共有2000个基本码(指的标尺)，不同数量的同颜色的基本码相连在一起，就构成了宽窄不同的码条。

图1－2

在图１－２左边伪随机码的下面是望远镜照准伪随机码后截取的伪随机码

片段。该伪随机码的片段成像在探测器上后，被探测器转换成电讯号，即为测量信号。该信号在数字水准仪中与事先已存储好的代表水准标尺伪随机码的参考信号进行比较，这就是相关过程, 称为相关。在图１－２中将望远镜截取

的伪随机码的片段与条码标尺上的伪随机码自下而上的比较，例如先与标尺底部对齐，发现不相同，然后往上移动一个步距（基本码宽），再比较，直到两码相同为止，或说两信号相同为止，即图１－２中左边虚线位置时，也就是最佳相关位置时，读数就可以确定。如图ｌ－２中的０.116ｍ。图中箭头所指为对应的区格式标尺的位置。移动一个基本码宽来进行比较的精度是不够的，但是可以作为粗相关过程，得到粗读数。再在粗读数上下选取一定范围，减少步距，进行精相关，就可以得到精度足够的读数。

由于标尺到仪器的距离不同，条码在探测器上成像的“宽窄”也将不同，即图1－２中片段条码的“宽窄”会变化，随之电讯号的“宽窄”也将改变，于是引起上述相关的困难。徕卡数字水准仪采用二维相关法来解决，也就是根据精度要求以一定步距改变仪器内部参考信号的“宽窄”与探测器采集到的测量信号相比较，如果没有相同的两信号，则再改变，再进行一维相关，直到的信号相同为止，可以确定读数。参考信号的“宽窄”与视距是对应的。“宽窄”相同的两信号相比较是求视线高的过程，在此二维相关中，一维是视距，另一维是视线高，二维相关之后视距就可以精确算出。

可以想象用这种二维相关的计算量会很大，使读数时间过长。为了缩短读数时间，或说二维相关时间，徕卡数字水准仪内部设计有调焦移动量传感器采集调焦镜的移动量，由此可以反算出概略视距，初步可以确定物像比例。对仪器内部的参考信号的“宽窄”进行缩放，使其接近探测器采集到的测量信号的“宽窄”，然后再进行二维相关。这样可以减少８０％的相关计算量．使读数时间缩短到４秒以内。

电子部件原理

徕卡数字水准电子部件的原理图表示在图1－3上，电子部件的功能可用该方框图来说明。望远镜照准标尺后，标尺的条码成像在探测器上，图1－3左下角的CCD上。其探测器采用电荷藕合器件，简称CCD（Charge Coupled Device）。CCD是由按照一定规律排列的ＭＯＳ（金属一氧化物一半导体）电容器阵列组成